SF6/N2混合气体的126 kV GIS母线的研制

韩 义

(沈阳工学院，辽宁 抚顺 113122)

在GIS高压开关设备中，SF6气体的绝缘性能较好，所以其使用量最大[1-2]。但SF6气体具有很高的全球变暖系数，是CO2的23 900倍，被视为温室效应气体，《京都议定书》将其列为6种受限制使用气体之一[3]。寻找一种可以替代SF6的气体引起了国内外相关人士的高度重视。因此，选取绝缘性能与SF6气体相当且对环境没有污染的气体来替代SF6气体，已经势在必行[4-5]。

在选取替代SF6气体的研究中，国内外专家通过大量的试验，已经取得了阶段性成果[6]。SF6/N2混合气体是一种可被使用，具备推广应用条件的绝缘气体。该混合气体是在纯SF6气体中，按照比例加入N2气体，而N2具有液化温度低、成本低、环保性能好等优点，因此，选用SF6/N2混合气体替代SF6气体绝缘，具有深远的社会意义。

1 GIS的应用现状

气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)是变电站中除变压器外最重要的设备。由于GIS具有高集成化、高可靠性等优点，近几年国家电网采购GIS的数量逐年提高。5年内从38 602间隔增加到76 986间隔，年增长率超过15%。

据统计，国家电网每年新建造的GIS设备需要使用的SF6气体量约1500 t，如果选用替代气体SF6/N2混合气体，每年减少使用SF6气体400 t[7]，节省气体可应用在新建的GIS设备上，不仅可以提高经济效益，同时也保护了环境。

2 SF6/N2混合气体的优点

国内外学者对SF6混合气体的研究结果表明：SF6与N2构成的混合气体具有广泛的应用前景，其优点在几个方面[8]。

a.N2是一种不会产生温室效应的环保型气体，符合国际环保组织的要求，同时资源也非常丰富。

b.N2化学性能稳定，且液化温度较低。因此，SF6/N2混合气体的应用解决了高寒地区开关设备的应用问题。

c.N2气体价格便宜，SF6/N2混合气体可明显降低成本，经济效益可观。

d.SF6/N2混合气体对电场不均匀性的影响比纯SF6弱，因此电极表面粗糙度和金属导电微粒对混合气体间隙绝缘特性的影响比纯SF6小。

3 126 kV GIS用SF6/N2混合气体母线相关技术参数

126 kV GIS用SF6/N2混合气体母线为三相共箱式结构，由三相盆式绝缘子、导体、触头、罐体及混合气体组成。整体结构小型化，占地面积小。

126 kV GIS用SF6/N2混合气体母线结构如图1所示，相关技术参数见表1。

表1 126 kV GIS混合气体技术参数

4 126 kV SF6/N2混合气体GIS母线绝缘性能研究

4.1 SF6/N2混合气体混合比的选取

SF6/N2混合气体中在SF6气体体积分数较少的情况下，要保持原有的冲击电压耐受强度，混合气体的总压力应高于纯SF6气体的压力。参考文献[9]中给出了关系曲线，如图2所示。

由图2可知，当SF6气体体积分数达到20%时，SF6/N2混合气体的击穿电压值已经达到纯SF6气体的80%左右，而SF6气体体积分数超过30%后，击穿电压的增长逐渐趋缓。说明SF6中混合70%～80%N2气体能够实现SF6/N2混合气体耐电强度和SF6用量的最优化。因此，在混合气体中，SF6用量通常取体积分数为20%～30%。

为了确保混合气体母线绝缘性能及温升性能与充入纯SF6时接近，126 kV GIS母线充入SF6气体体积分数为30%，即SF6/N2混合气体比例为3∶7。根据图2可知，混合气体总的压力为纯SF6气体时压力的1.33倍时，混合气体的耐电强度与纯SF6气体相当。

126 kV纯SF6母线额定压力为0.6 MPa(绝对压力)，因此，3∶7混合比下SF6及N2的分压力及总压力见表2。

表2 126 kVSF6/N2混合气体母线总压及各气体分压(绝对压力) MPa

4.2 126 kV SF6/N2混合气体母线绝缘性能试验

126 kV SF6/N2混合气体母线绝缘试验样机布置如图3所示，样机包括混合气体母线、拐角母线、套管等，混合气体母线内充3∶7的SF6/N2混合气体，最低功能压力为0.6 MPa(表压)。该样机于2016年10月在机械工业高压电器产品质量检测中心顺利通过了绝缘型式试验，包括雷电冲击耐受电压试验、短时工频耐受电压试验、局部放电试验等，绝缘型式试验的顺利通过验证了126 kV GIS混合气体混合比的合理性及混合气体母线绝缘性能的可靠性。

5 126 kV SF6/N2混合气体母线温升性能研究

SF6比N2具有更好的导热性能，因此当纯SF6被相同绝缘强度的SF6/N2混合气体替代时，对GIS母线的温升会产生影响[10]。

5.1 126 kV SF6/N2混合气体母线温升计算

混合气体母线内主要以热传导方式传热，热量通过对流和辐射换热由载流回路传到周围气体中，然后通过外壳传到周围空气里。

采用多组分的方法对SF6/N2混合气体母线的温度场进行计算，母线通流为3465 A(即为额定电流的1.1倍)，环境温度29 ℃，计算工况与母线温升型式试验工况一致。求出导体和外壳的损耗，并作为计算的热源带入到温度场分析中。

考虑到辐射散热的影响，在母线导体外表面与金属外壳内外表面施加相应的辐射散热系数，对于距离外壳外壁较远处的空气，认为其不受热源影响，将其作为流场计算远端边界，其温度设定为外部环境温度。

经计算，126 kV混合气体母线导体的温升为60.4 ℃，壳体温升为24.1 ℃，混合气体母线温度场分布计算结果如图4所示，气体流速分布如图5所示。从图4计算结果可以看出，混合气体母线温度场分布趋势为外壳及导体温度分布呈现左右基本对称，上方温度高，下方温度低的特点。

5.2 126 kV SF6/N2混合气体母线温升试验

126 kV SF6/N2混合气体母线温升试验样机布置如图6所示，该样机于2017年6月在机械工业高压电器产品质量检测中心顺利通过了试验电流为3465 A的温升型式试验。试验结果：导体温升为61.8 ℃，壳体温升为25 ℃。仿真计算结果与试验结果对比见表3。

从表3对比可知，混合气体仿真分析结果与型式试验的结果最大偏差仅为2.3%(导体温升)。

表3 仿真结果与试验结果对比 ℃

6 SF6/N2混合气体的充气过程

混合气体的充气过程可以采用2种方法。

a.分步充气法：先充入SF6气体至其分压力的规定值，然后再充入N2气体至混合气体的最终压力值。

b.直接充气法：在专用的充气设备内将2种气体按照比例混合后充入母线内。

采用以上2种方法进行充气后，均需要对SF6气体体积分数进行测试，以判定是否达到混合气体比例的要求。

7 混合气体环境效益及经济效益分析

a.环境效益

某电气设备公司每年生产126 kV GIS母线约3000 m，充纯SF6气体时，需SF6气体65 100 kg，若充混合比为3∶7的混合气体，充入的SF6气体为24 600 kg，是纯SF6气体的37.8%，环境效益可观。

b.经济效益

以每m母线为例，进行经济效益分析，每kg SF6气体及N2气体分别按照54元及7元计算，详细经济效益见表4。从表4可知，充体积分数为30%SF6时每m母线的成本比纯SF6节约40%，经济效益可观。

表4 经济效益分析(母线/m)

8 结束语

本文介绍了126 kV GIS用SF6/N2混合气体母线的相关参数、研制过程及经济效益，各项型式试验的顺利通过验证了混合气体混合比的合理性及母线结构性能的可靠性。126 kV GIS用SF6/N2混合气体母线的成功研制为开发其他电压等级采用混合气体的GIS母线奠定了基础。